Una corrente elettrica che scorre in un filo che crea un campo magnetico intorno al filo, a causa della legge di Ampere (vedi disegno sotto)., Per concentrare il campo magnetico, in un elettromagnete il filo viene avvolto in una bobina con molti giri di filo che si trovano fianco a fianco. Il campo magnetico di tutti i giri del filo passa attraverso il centro della bobina, creando un forte campo magnetico lì. Una bobina che forma la forma di un tubo dritto (un’elica) è chiamata solenoide.

La direzione del campo magnetico attraverso una bobina di filo può essere trovata da una forma della regola di destra., Se le dita della mano destra sono arricciate attorno alla bobina nella direzione del flusso di corrente (corrente convenzionale, flusso di carica positiva) attraverso gli avvolgimenti, il pollice punta nella direzione del campo all’interno della bobina. Il lato del magnete da cui emergono le linee di campo è definito come il polo nord.

Campi magnetici molto più forti possono essere prodotti se un “nucleo magnetico” di un materiale ferromagnetico morbido (o ferrimagnetico), come il ferro, è posizionato all’interno della bobina., Un nucleo può aumentare il campo magnetico a migliaia di volte la forza del campo della bobina da solo, a causa dell’elevata permeabilità magnetica μ del materiale. Questo è chiamato un elettromagnete ferromagnetico o nucleo di ferro. Tuttavia, non tutti gli elettromagneti utilizzano nuclei e gli elettromagneti più forti, come i superconduttori e gli elettromagneti a corrente molto elevata, non possono usarli a causa della saturazione.

Ampere’s lawEdit

Per le definizioni delle variabili di seguito, vedere il riquadro alla fine dell’articolo.,

Il campo magnetico di elettromagneti nel caso generale è dato dalla Legge di Ampere:

∫ J ⋅ d = ∮ H ⋅ d l {\displaystyle \int \mathbf {J} \cdot d\mathbf {A} =\oint \mathbf {H} \cdot d\mathbf {l} }

che dice che l’integrale del campo magnetizzante H intorno a qualsiasi ciclo chiuso del campo è uguale alla somma della corrente che fluisce attraverso il ciclo. Un’altra equazione utilizzata, che dà il campo magnetico a causa di ogni piccolo segmento di corrente, è la legge di Biot-Savart. Calcolare il campo magnetico e la forza esercitata dai materiali ferromagnetici è difficile per due motivi., In primo luogo, perché la forza del campo varia da punto a punto in modo complicato, in particolare al di fuori del nucleo e nelle intercapedini d’aria, dove devono essere considerati i campi di frange e il flusso di perdite. In secondo luogo, perché il campo magnetico B e la forza sono funzioni non lineari della corrente, a seconda della relazione non lineare tra B e H per il particolare materiale del nucleo utilizzato. Per calcoli precisi, vengono utilizzati programmi per computer in grado di produrre un modello del campo magnetico utilizzando il metodo degli elementi finiti.,

Nucleo magneticomodifica

Il materiale di un nucleo magnetico (spesso fatto di ferro o acciaio) è composto da piccole regioni chiamate domini magnetici che agiscono come piccoli magneti (vedi ferromagnetismo). Prima che la corrente nell’elettromagnete sia accesa, i domini nel nucleo di ferro puntano in direzioni casuali, quindi i loro piccoli campi magnetici si annullano a vicenda e il ferro non ha un campo magnetico su larga scala., Quando una corrente viene fatta passare attraverso il filo avvolto attorno al ferro, il suo campo magnetico penetra nel ferro e fa girare i domini, allineandosi parallelamente al campo magnetico, quindi i loro piccoli campi magnetici si aggiungono al campo del filo, creando un grande campo magnetico che si estende nello spazio attorno al magnete. L’effetto del nucleo è quello di concentrare il campo e il campo magnetico passa attraverso il nucleo più facilmente di quanto passerebbe attraverso l’aria.

Maggiore è la corrente passata attraverso la bobina del filo, più i domini si allineano e più forte è il campo magnetico., Infine, tutti i domini sono allineati, e ulteriori aumenti di corrente causano solo lievi aumenti del campo magnetico: questo fenomeno è chiamato saturazione.

Quando la corrente nella bobina è spenta, nei materiali magneticamente morbidi che sono quasi sempre usati come nuclei, la maggior parte dei domini perde l’allineamento e ritorna a uno stato casuale e il campo scompare. Tuttavia, parte dell’allineamento persiste, perché i domini hanno difficoltà a girare la loro direzione di magnetizzazione, lasciando il nucleo un debole magnete permanente., Questo fenomeno è chiamato isteresi e il campo magnetico rimanente è chiamato magnetismo residuo. La magnetizzazione residua del nucleo può essere rimossa smagnetizzando. Negli elettromagneti a corrente alternata, come quelli utilizzati nei motori, la magnetizzazione del nucleo viene costantemente invertita e la rimanenza contribuisce alle perdite del motore.

Circuito magnetico – l’approssimazione costante del campo Bmodifica

In molte applicazioni pratiche di elettromagneti, come motori, generatori, trasformatori, magneti di sollevamento e altoparlanti, il nucleo di ferro è sotto forma di un anello o circuito magnetico, possibilmente rotto da alcuni stretti vuoti d’aria. Questo perché le linee del campo magnetico sono sotto forma di anelli chiusi. Il ferro presenta molto meno “resistenza” (riluttanza) al campo magnetico rispetto all’aria, quindi un campo più forte può essere ottenuto se la maggior parte del percorso del campo magnetico si trova all’interno del nucleo.,

Poiché la maggior parte del campo magnetico è confinata all’interno dei contorni del ciclo del nucleo, ciò consente una semplificazione dell’analisi matematica. Vedi il disegno a destra. Un’ipotesi semplificatrice comune soddisfatta da molti elettromagneti, che verrà utilizzata in questa sezione, è che l’intensità del campo magnetico B è costante attorno al circuito magnetico (all’interno del nucleo e degli spazi vuoti d’aria) e zero al di fuori di esso. La maggior parte del campo magnetico sarà concentrata nel materiale di base (C)., All’interno del nucleo il campo magnetico (B) sarà approssimativamente uniforme su qualsiasi sezione trasversale, quindi se in aggiunta il nucleo ha un’area approssimativamente costante per tutta la sua lunghezza, il campo nel nucleo sarà costante. Questo lascia solo gli spazi vuoti d’aria (G), se presenti, tra le sezioni principali. Negli spazi vuoti le linee del campo magnetico non sono più confinate dal nucleo, quindi “si gonfiano” oltre i contorni del nucleo prima di curvare di nuovo per entrare nel pezzo successivo del materiale del nucleo, riducendo l’intensità del campo nel divario. I rigonfiamenti (BF) sono chiamati campi di frange., Tuttavia, finché la lunghezza dello spazio è inferiore alle dimensioni della sezione trasversale del nucleo, il campo nello spazio sarà approssimativamente uguale a quello del nucleo. Inoltre, alcune delle linee di campo magnetico (BL) prenderanno “scorciatoie” e non passeranno attraverso l’intero circuito centrale, e quindi non contribuiranno alla forza esercitata dal magnete. Ciò include anche le linee di campo che circondano gli avvolgimenti del filo ma non entrano nel nucleo. Questo è chiamato flusso di perdita., Pertanto, le equazioni in questa sezione sono valide per gli elettromagneti per i quali:

1. il circuito magnetico è un singolo anello di materiale del nucleo, eventualmente rotto da alcuni vuoti d’aria
2. il nucleo ha all’incirca la stessa area della sezione trasversale per tutta la sua lunghezza.
3. eventuali intercapedini d’aria tra le sezioni del materiale del nucleo non sono grandi rispetto alle dimensioni della sezione trasversale del nucleo.
4. c’è un flusso di dispersione trascurabile

La principale caratteristica non lineare dei materiali ferromagnetici è che il campo B si satura ad un certo valore, che è intorno a 1.,6-2 teslas (T) per la maggior parte degli acciai del centro di alta permeabilità. Il campo B aumenta rapidamente con l’aumentare della corrente fino a quel valore, ma al di sopra di quel valore il campo si livella e diventa quasi costante, indipendentemente da quanta corrente viene inviata attraverso gli avvolgimenti. Quindi la forza massima del campo magnetico possibile da un elettromagnete a nucleo di ferro è limitata a circa 1,6-2 T.,

Campo magnetico creato da una correntemodifica

Il campo magnetico creato da un elettromagnete è proporzionale sia al numero di spire nell’avvolgimento, N, sia alla corrente nel filo, I, quindi a questo prodotto, NI, in ampere-spire, viene dato il nome di forza magnetomotiva.,agnetic circuito, la cui lunghezza Lcore del campo magnetico percorso è nel materiale di base e la lunghezza Lgap è in vuoti d’aria, Legge di Ampere si riduce a:

N I = H c o r r e L a c o r e + H g i a p p L g p {\displaystyle NI=H_{\mathrm {core} }L_{\mathrm {core} }+H_{\mathrm {gap} }L_{\mathrm {gap} }\,} N I = B ( L a c o r e m + L g i a p p µ 0 ) ( 1 ) {\displaystyle NI=B\left({\frac {L_{\mathrm {core} }}{\mu }}+{\frac {L_{\mathrm {gap} }}{\mu _{0}}}\right)\qquad \qquad \qquad \qquad (1)\,} dove µ = B / H {\displaystyle \mu =B/H\,} è la permeabilità magnetica del materiale di base in un particolare campo B usato., μ 0 = 4 π (10 − 7 ) N A A − 2 {\displaystyle \mu _{0}=4\pi (10^{-7})\ \mathrm {N} \cdot \mathrm {A} ^{-2}} è la permeabilità dello spazio libero (o dell’aria); si noti che un {\displaystyle \mathrm {A} } in questa definizione è ampere.

Questa è un’equazione non lineare, perché la permeabilità del nucleo, μ, varia con il campo magnetico B. Per una soluzione esatta, il valore di μ al valore B utilizzato deve essere ottenuto dalla curva di isteresi del materiale del nucleo. Se B è sconosciuto, l’equazione deve essere risolta con metodi numerici., Tuttavia, se la forza magnetomotiva è ben al di sopra della saturazione, quindi il materiale del nucleo è in saturazione, il campo magnetico sarà approssimativamente il valore di saturazione Bsat per il materiale e non varierà molto con i cambiamenti in NI. Per un circuito magnetico chiuso (senza traferro) la maggior parte dei materiali di base saturano con una forza magnetomotoria di circa 800 ampere-giri per metro di percorso del flusso.

Per la maggior parte dei materiali di base, μ r = μ / μ 0 ≈ 2000-6000 {\displaystyle \ mu _ {r} = \mu /\mu _{0}\ circa 2000-6000\,}. Quindi nell’equazione (1) sopra, domina il secondo termine., Pertanto, nei circuiti magnetici con un traferro, la forza del campo magnetico B dipende fortemente dalla lunghezza del traferro e la lunghezza del percorso del flusso nel nucleo non ha molta importanza. Dato un traferro di 1mm, una forza magnetomotoria di circa 796 Ampere-giri è necessaria per produrre un campo magnetico di 1T.,

Forza esercitata dal magnetica fieldEdit

La forza esercitata da un elettromagnete su una sezione di materiale di base:

F = B 2 A 2 µ 0 ( 2 ) {\displaystyle F={\frac {B^{2}A}{2\mu _{0}}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (2)\,}

dove Un {\displaystyle A} è l’area della sezione trasversale del nucleo. L’equazione della forza può essere derivata dall’energia immagazzinata in un campo magnetico. L’energia è forza volte la distanza. Riorganizzare i termini produce l’equazione sopra.

Il 1.,6 T limite al campo di cui sopra stabilisce un limite massimo la forza per unità di area centrale, o magnetica a pressione, un ferro da stiro-nucleo elettromagnete può esercitare; circa:

F A = B s a t 2 2 µ 0 ≈ 1000 k P = 10 6 N / m 2 = 145 l b f ⋅ i n − 2 {\displaystyle {\frac {F}{A}}={\frac {B_{sat}^{2}}{2\mu _{0}}}\approx 1000\ \mathrm {kPa} =10^{6}\mathrm {N/m^{2}} =145\ \mathrm {n} \cdot \mathrm {e} ^{-2}\,}

In più intuitivo unità è utile ricordare che a 1 T magnetica pressione è di circa 4 atmosfere, o kg/cm2.,

Data una geometria del nucleo, il campo B necessario per una data forza può essere calcolato da (2); se esce a molto più di 1,6 T, deve essere usato un nucleo più grande.

Circuito magnetico chiusomodifica